Introducción al diseño de PCB de alta velocidad: cómo eliminar la diafonía

Hace poco, en una boda, estábamos sentados mi esposa y yo con otra pareja en la misma mesa. Mi esposa y la otra mujer hablaban de manera distendida, y yo intenté entablar una conversación con el otro hombre, que estaba sentado delante de mi. Con todo este ruido de por medio, se hacía muy difícil iniciar la conversación. De hecho, la que tenía lugar entre nosotros hacía imposible la nuestra. ¡Esto es lo que llamamos diafonía!

Experimentar diafonía durante una conversación puede ser muy molesto, pero que se nos cuele en nuestro esquema de PCB puede ser realmente desastroso. Si no se corrige, puede causar que la placa de circuito que has elaborado no funcione en absoluto o que esté plagada de problemas persistentes. Veamos con más detalle qué es la diafonía y qué puedes hacer para prevenirla.

¿Qué es la diafonía en el diseño de PCB de alta velocidad?

La diafonía es el acoplamiento electromagnético no intencionado entre pistas de una PCB. Este acoplamiento puede causar que los impulsos de señal de una pista sobrepasen los de otra señal, aunque no se toquen físicamente entre sí. Puede ocurrir cuando el espacio entre las pistas paralelas es reducido. De hecho, aunque las pistas mantengan el espacio mínimo requerido para su fabricación, puede que éste no resulte suficiente en términos electromagnéticos.

Imagina que tienes dos pistas dispuestas en paralelo. Si la señal de una de las pistas tiene más amplitud que la otra, la que tiene más amplitud podría perturbar a la otra. Esto hace que la señal de la pista "perturbada" mimetice las características de la pista "perturbadora", en lugar de conducir su propia señal. Cuando esto ocurre, hablamos de diafonía.

Por lo general, tendemos a pensar que la diafonía ocurre entre dos pistas paralelas que se encuentran en la misma capa. Sin embargo, es más habitual que se produzca entre dos pistas paralelas dispuestas en capas adyacentes. Esto se denomina acoplamiento lateral y es más probable que suceda cuando las dos capas adyacentes están separadas por una capa de refuerzo demasiado fina. Puede incluso que estemos hablando de un espesor de 4 milésimas de pulgada (0,1 milímetros), que en algunos casos es menor que el espaciado existente entre dos pistas de la misma capa.

^{Para eliminar la diafonía, se recomienda que el espaciado entre las pistas que lo producen sea mayor que el requerido}

Supresión de la probabilidad de diafonía en tu diseño

Afortunadamente, la diafonía se puede controlar. Una manera de evitarla durante el diseño de la placa se consigue poniendo en práctica trucos que minimizan la posibilidad de que ocurra. Aquí tienes algunas técnicas de diseño que te ayudarán a conseguirlo:

1. Mantén la mayor distancia posible entre los pares diferenciales y otros enrutamientos de señales. Aquí funciona la regla del pulgar: el espaciado es 3 veces el ancho de la pista.

2. Mantén la mayor diferencia posible entre el enrutamiento del reloj y otros enrutamientos de señales. Podemos utilizar la misma regla del pulgar, con un espaciado igual a 3 veces el ancho de la pista.

3. Mantén la mayor distancia posible entre los diferentes juegos de pares diferenciales. En este caso, la regla del pulgar tiene que ser un poco más grande, con un espaciado equivalente a 5 veces al ancho de la pista.

4. Enruta las señales asíncronas (como RESET, INTERRUPT, etc.) lejos de los buses y de las señales de alta velocidad. No obstante, sí se pueden enrutar junto a las señales de encendido y apagado o de arranque, pues estas señales rara vez se utilizan durante el funcionamiento normal de la placa.

5. Asegúrate de que dos capas de señales adyacentes en el apilado de la placa alternen las direcciones de enrutamiento horizontal y vertical. Esto reducirá la posibilidad de que se produzca un acoplamiento lateral, al evitarse que las pistas estén dispuestas de manera paralela una encima de la otra.

6. O incluso mejor: separa las capas con una capa de tierra en la  configuración del microstrip. Esta capa no sólo aumentará la separación entre las dos capas de señal, sino que también proporcionará la ruta de retorno requerida para las capas de señal.

^{Tus herramientas de diseño de PCB de alta velocidad pueden ayudarte a eliminar la diafonía}

Cómo puede ayudarte tu software de diseño a eliminar la diafonía en tus diseños de PCB de alta velocidad

Las herramientas de diseño de PCB disponen de funcionalidades incorporadas que te ayudarán a evitar la diafonía en tus diseños. Las reglas de capas de la placa te ayudan a evitar el acoplamiento lateral, especificando direcciones de enrutamiento y creando apilados de microstrips. Las reglas de clase de red te permiten asignar un mayor espaciamiento de pistas a los grupos de redes que son más susceptibles a la diafonía. Los enrutadores de pares diferenciales enrutan los pares diferenciales de manera conjunta, considerándolos un par real, en lugar de enrutarlos individualmente. Todo esto facilita que se mantenga el espacio requerido entre las pistas de los pares diferenciales y con otras redes, con el objetivo de evitar la diafonía.

Aparte de la funcionalidad integrada de tu software de diseño de PCB, también existen otras herramientas que pueden ayudarte a suprimir la diafonía en el diseño de PCB de alta velocidad. Hay diferentes  calculadoras de diafonía disponibles que te ayudarán a determinar el ancho y el espaciado de pista óptimos para tu trazado. También hay simuladores de integridad de la señal que te permiten analizar tu diseño en busca de posibles problemas de diafonía.

Si no se regula, la diafonía puede ser un problema serio en una placa de circuito impreso. Pero ahora que sabes qué aspectos debes observar, ya estás preparado/a para evitar este tipo de interferencias. Los consejos de diseño que hemos discutido aquí, junto con la funcionalidad de tu software de diseño de PCB te ayudarán a crear diseños libres de diafonía.

Un software de diseño de PCB, como Altium Designer, incluye la funcionalidad avanzada que hemos comentado en este artículo. ¿Quieres saber más sobre cómo puede ayudarte Altium a solucionar la diafonía y otros problemas de integridad de la señal en tu diseño de PCB? Habla con un experto de Altium.